异形基坑短曲边垂直开挖的水压斜撑组合平衡施工方法

本发明涉及基坑垂直开挖的施工，具体涉及异形基坑短曲边垂直开挖的水压斜撑组合平衡施工方法。

背景技术：

1、随着城市建设的不断发展，带弧线边缘的不规则形状的基坑(以下简称“异形基坑”)的工程需求日益增加。传统的异形基坑垂直开挖多采用斜撑方式来支撑围护结构，对于长曲边的异形基坑而言(通常是指边线弧长大于20m的情况)，由于施工空间较宽裕，可以沿长曲边轮廓布设多个斜撑，现有设计中相邻斜撑之间的间距一般为20m，采用多个斜撑可以共同分担土体压力，降低墙体的应力集中度。

2、然而，对于短曲边(主要指边线弧长小于20m的情况)的异形基坑垂直开挖的施工，采用传统斜支撑方式的施工则面临着一系列挑战。由于施工空间狭小且轮廓不规则，仅能设置单根斜撑对短曲边围护结构进行支撑，使得斜撑支点处墙体应力分布集中，给施工安全性带来一定的隐患。传统支撑方法通常需要进行分区开挖，而对于开挖面较窄的地方，支撑系统的架设变得复杂且不灵活。由于施工空间的限制，施工效率也受到了显著影响，甚至可能导致施工难度的增加和安全隐患的产生。

技术实现思路

1、本发明针对异形基坑短曲边的垂直开挖施工，提出基于水压斜撑组合平衡的施工方法，旨在削弱单纯依靠单个斜撑造成的围护结构的不均匀变形以及受力集中，在有限的施工空间下，能够减小斜撑轴力、增加斜撑适用的工程范围，提高异形基坑短曲边垂直开挖施工的安全性及施工效率。

2、为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案为：

3、异形基坑短曲边垂直开挖的水压斜撑组合平衡施工方法，包括如下步骤：

4、步骤1)：基于异形基坑开挖土层的参数以及斜撑的倾斜角度θ，计算围护结构采用传统斜撑方案情况下的单个斜撑支座处的平均应力值；

5、步骤2)：设定斜撑支座处的应力阈值，将步骤1)中所计算的平均应力值与应力阈值进行比较，若平均应力值小于应力阈值，则采用传统斜撑方案；若平均应力值大于或等于应力阈值，则执行以下步骤；

6、步骤3)：准备多块挡水板，令每块挡水板的纵向高度至少与异形基坑的开挖深度相同，以两两挡水板为一组，沿异形基坑的曲边地墙的轮廓布设多组挡水板以形成挡水墙，相邻的两块挡水板之间相连且接缝处密封，挡水板的底部与基坑的底部接触且接缝处密封，挡水墙与曲边地墙之间形成水槽；

7、步骤4)：在挡水墙的挡水板上开设贯通孔，将斜撑的支座穿过贯通孔并固定在地墙上，贯通孔与支座的间隙进行密封处理，将斜撑按预设的倾斜角度进行设置，将斜撑的一端固定在支座上，斜撑的另一端固定在基坑底部；

8、步骤5)：完成步骤4)后，向水槽内注入液体，令水槽内液体的表面与基坑的顶面平齐；

9、步骤6)：计算完成步骤5)后斜撑支座处的实际平均应力值，将实际平均应力值与应力阈值进行比较，若实际平均应力值仍然大于或等于应力阈值，则增大水槽内液体的密度，动态调整斜撑支座处的实际平均应力值，直至实际平均应力值小于应力阈值为止。

10、进一步，所述步骤1)中，围护结构采用传统斜撑方案情况下的单个斜撑支座处的平均应力值计算方式如下：

11、已知异形基坑开挖区域的土体重度γ、内摩擦角开挖深度h、斜撑的倾斜角度θ、斜撑在围护结构上的支座面积s0、异形基坑曲边的弧长l；

12、计算主动土压力系数ka，

13、计算主动土压力合力ea，

14、计算斜撑轴力ra，

15、计算斜撑支座的平均应力

16、进一步，所述挡水板采用pvc材料制成。

17、进一步，所述挡水板的外形轮廓为矩形。

18、进一步，所述挡水板的厚度≥5cm。

19、进一步，所述挡水板的横向宽度不超过异形基坑曲边弧长的5％。

20、进一步，所述挡水板的横向宽度为1m。

21、进一步，所述步骤3)中，两两相邻的挡水板之间通过合页及螺栓连接，接缝处采用密封条密封。

22、进一步，所述步骤6)中，斜撑支座处的实际平均应力计算方式如下：

23、已知异形基坑开挖区域的土体重度γ、内摩擦角开挖深度h、斜撑的倾斜角度θ、斜撑在围护结构上的支座面积s0、异形基坑曲边的弧长l，水槽内注入液体的密度ρ，重力加速度g；

24、计算主动土压力系数ka，

25、计算主动土压力合力ea，

26、计算当前平衡合力p，

27、计算当前斜撑轴力ra，

28、计算当前斜撑支座的实际平均应力

29、进一步，所述步骤3)中，形成挡水墙所需挡水板的数量按以下方法确定：

30、设每块挡水板的外形轮廓均为矩形且尺寸相同，设每块挡水板的横向宽度为a，设异形基坑曲边弧长半径为r，设异形基坑曲边弧长的圆心角为p，设挡水墙与地墙之间的实际距离为d，挡水墙与地墙之间距离上限值为dmax；

31、(1)计算每一组挡水板所对应的圆心角α，第一次计算时取d＝dmax；

32、(2)计算所需挡水板的数量n，n＝2p/α；

33、(3)判断上述步骤(2)中所计算的挡水板数量n是否为偶数，若计算结果为偶数，则所计算的结果即为实际所需挡水板的数量；若计算结构为奇数，则继续执行以下步骤；

34、(4)减小上述步骤(1)计算圆心角时d的取值，然后按照上述步骤(1)和步骤(2)给出的公式重新计算d值减小后所需挡水板的数量，直至调整至所计算出的挡水板数量为偶数为止，所对应的调整后的d值即为实际施工中挡水墙与地墙的距离。

35、本发明针对异形基坑短曲边的垂直开挖施工，创新的提出基于水压斜撑组合平衡的施工方法，该方法不仅突破了传统单靠斜撑支撑系统的应用限制，还通过减小斜撑轴力，增加了斜撑适用的工程范围，削弱了围护结构的不均匀变形以及受力集中，实现了对窄开挖面的高效支撑。本发明方案中的挡水板与基坑侧面地墙形成的水槽空间用于注入液体，巧妙地利用了水压平衡原理，从土体压力原本全部由斜撑承担，改善为由斜撑和水槽内的水压共同分担，将受力面积扩展至异形基坑曲边围护结构的整个侧面，从而令受力面积增大，力的分布也更加均匀。该方案既可以有效节约空间，又可以在施工过程中平衡土体压力，提高异形基坑短曲边垂直开挖施工的安全性及施工效率。

技术特征：

1.异形基坑短曲边垂直开挖的水压斜撑组合平衡施工方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的异形基坑短曲边垂直开挖的水压斜撑组合平衡施工方法，其特征在于：所述步骤1)中，围护结构采用传统斜撑方案情况下的单个斜撑支座处的平均应力值计算方式如下：

3.根据权利要求1所述的异形基坑短曲边垂直开挖的水压斜撑组合平衡施工方法，其特征在于：所述挡水板采用pvc材料制成。

4.根据权利要求1所述的异形基坑短曲边垂直开挖的水压斜撑组合平衡施工方法，其特征在于：所述挡水板的外形轮廓为矩形。

5.根据权利要求4所述的异形基坑短曲边垂直开挖的水压斜撑组合平衡施工方法，其特征在于：所述挡水板的厚度≥5cm。

6.根据权利要求4所述的异形基坑短曲边垂直开挖的水压斜撑组合平衡施工方法，其特征在于：所述挡水板的横向宽度不超过异形基坑曲边弧长的5％。

7.根据权利要求6所述的异形基坑短曲边垂直开挖的水压斜撑组合平衡施工方法，其特征在于：所述挡水板的横向宽度为1m。

8.根据权利要求1所述的异形基坑短曲边垂直开挖的水压斜撑组合平衡施工方法，其特征在于：所述步骤3)中，两两相邻的挡水板之间通过合页及螺栓连接，接缝处采用密封条密封。

9.根据权利要求1所述的异形基坑短曲边垂直开挖的水压斜撑组合平衡施工方法，其特征在于：所述步骤6)中，斜撑支座处的实际平均应力计算方式如下：

10.根据权利要求1所述的异形基坑短曲边垂直开挖的水压斜撑组合平衡施工方法，其特征在于：所述步骤3)中，形成挡水墙所需挡水板的数量按以下方法确定：

技术总结本发明涉及异形基坑短曲边垂直开挖的水压斜撑组合平衡施工方法，通过多块矩形挡水板的拼接所形成适应短曲边开挖轮廓的挡水墙，利用挡水墙与围护墙之间的间隙形成水槽，并向水槽内注入液体，通过水压与斜撑轴力调节组合，既解决了普通支撑施工空间不足问题，也有效缓解了仅一根斜撑带来的地墙受力变形不均的现象，实现对异形基坑短曲边区域的高效支撑与施工。矩形挡水板组合与短曲边曲线形状相似，通过水压平衡原理，削弱了短曲边因支撑数量少带来的围护结构变形不均匀和受力集中等效应。该方法在施工中可灵活应用，能够有效平衡土体压力，提高异形基坑短曲边轮廓的施工安全和效率。技术研发人员：谢新宇,郑许冬,刘铠宁,郑凌逶,吴勇,周奇辉受保护的技术使用者：浙江大学温州研究院技术研发日：技术公布日：2024/5/29